随着机器人技术的不断发展,以及人们对高品质生活的不懈追求,导购机器人、迎宾机器人、讲解机器人等服务型机器人越来越多的进入到消费者的日常生活中。此类服务机器人的主要应用场景是商场、超市、博物馆等室内环境,其中室内定位和导航是其关键技术,也是服务机器人领域的主要研究热点。目前,传统的导购机器人、迎宾机器人、讲解机器人等服务机器人主要采用磁条定位、二维码定位、激光定位、视觉定位等定位方式。其中,磁条和二维码定位方式需要在地面铺设磁条或二维码,存在着易破损、维护困难、破坏商场整体形象等缺点;激光和视觉定位对商品货架位置经常改变、布置有大量玻璃橱窗的商场环境存在着无法自主定位、环境适应能力差的问题。针对以上所存在的问题,课题研究一种基于UWB无线定位技术的导购机器人。具体研究内容如下:一、面向室内非结构化环境的导购机器人结构设计。针对导购机器人的室内非结构化使用环境,提出了一种跷跷板式的机器人底盘悬挂机构,使机器人对高度为10mm的凸起和宽度为15mm的沟槽具有良好的越障能力,从而保证在室内非结构化环境下的稳定移动能力。在此基础上,对机器人机械结构各关键部件的参数进行了设计,最后对机器人结构进行了总体设计。二、基于UWB的导购机器人室内定位方法研究及其仿真分析。分析了导购机器人使用场景,设计了基于UWB的室内定位系统,其借助若干定位基站进行定位,不受外部环境变化的影响。研究了基于TOF的Chan定位算法,并联合卡尔曼滤波改进Chan算法,进行仿真实验验证定位算法的性能。三、导购机器人路径跟踪控制方法研究及其仿真分析。建立导购机器人的运动学模型,针对较大跟踪误差下导购机器人系统状态方程描述不准确,导致LQR控制精度差、稳定性下降的问题,提出一种融合PID和LQR的移动机器人直线路径跟踪控制算法,即在较大跟踪误差的情况下采用PID控制算法,在较小跟踪误差的情况下采用LQR控制算法,既保证了系统的响应速度,又保证了稳态下的控制精度;对所提出的跟踪算法进行仿真实验与分析,验证了跟踪算法的有效性和可行性。四、导购机器人控制系统搭建和实验研究。设计了导购机器人移动底盘、UWB室内无线定位系统、导购机器人运动控制系统等,构建了完整的导购机器人系统;然后编写导购机器人室内定位系统软件、路径跟踪控制算法软件以及上位机监控软件;最后进行导购机器人室内定位和路径跟踪实验,验证导购机器人UWB室内定位系统的定位精度以及路径跟踪控制算法的有效性。实验结果表明:所设计的导购机器人室内无线定位系统采用UWB无线定位技术,不受周围环境改变影响,在非结构化的室内环境下,误差范围在±15cm以内,满足导购机器人室内定位和导航需求;仿真和实验结果都验证了所提出的PID-LQR直线路径跟踪控制方法既能快速消除导购机器人较大的路径跟踪误差,又能在较小跟踪误差下保持跟踪精度。